Stateflow逻辑系统建模.pdf

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stateflow逻辑系统建模,张威著,本书详细介绍了Matlab产品体系中用于动态逻辑系统建模仿真的stateflow产品的应用方法。
内容简介 本书详细介绍了 MATLAB产品体系中用于动态逻辑系统建模仿真的 Stateflow产品的应用 方法。本书的前六章内容是 Stateflow的基础,重点介绍了有限状态系统中状态、状态抟移、连 接节点、厉史节点、动作、数据对象、事件等各种概念在 Stateflow产品中的实觋方法,还着重 介绍了层次化系统建模、并行机制、事件广播、隐含事件和时间逻辑竽有限状态系统的建模方 法。本书的后三章内容涉及 Statef ow的高级话题,涵盖了 Stateflow Coder代码生成、真值表、 Embedded matlab function以及 Stateflow API的使用方法等内容 本书内容丰富、全面、系统而且权威,对 Stateflow有限状态系统中的每一种语法现象都进 行了详尽的介绍,并列举了丰富的应用实例,低于读者掌握具体工具的使用方法。 本书既可作为需要完成动态逻辑系统建模和仿真的工程人员的参考书,也可作为在校本科 生、碩士研究生和博土研究生的教材,还可作为 MATLAB相应产品培训课程的教材。 图书在版编目(C|P)数据 Statef ow逻辑系统建模/张威编著.西安:西安电了科技大学出版社,2007.10 ISBN978-7-5606-1852-4 Ⅰ.S…·Ⅱ.张…Ⅲ.计算机辅玏计算一软件包, StateflowⅣV.TP391.75 中国版本图书馆C|P数据核字(2007)第083728号 策划毛红兵 责任编辑阎彬毛红兵 出版发行西安电子科技大学出版社(西安市太白南路2号) 电话(029)882428858820146 邮编710071 http:/www.xduph.comE-mail:xdupixb@@pub.xaonline.com 经销新华书店 印刷单位西安文化彩印厂 版次2007年10月第1版2007年10月第1次印刷 开4787毫米×1092毫米1/16印张20.5 数482千字 印数1~4000册 定价30.00元 ISBN9787-5606-1852-4/TP·0963 XDUP2144001-1 如有印装问题可调换* 本社图书封面为激光防伪覆膜,谨防盜版 前言 MATLAB软件最早成为商化软件是在1984年,那时由 Math Works公司推出了 MATLAB的第一个版本。在编写本书的时侯, MATLAB的最新版本是73,即 MATLAB Release200 b MATLaB产品提供了丰富的应用函数,并且具有易扩充的开放性结构。在 不断地吸收各行各业专家、学者、工程师的经验之后, MATLAB已成为了国际上优秀的工 程应用软件之一。目前,该软件涵盖了控制系统设计与伤真、数字信号处理设计与仿與、 数字图像处理、嵌入式系统设计与实现、通信、神经网络、小波理论分析、优化与统计 偏徼分方程、动态系统实时仿真等多学科专业领域,其应用行业包括航空航天、汽车、兵 器与国防工业、通信、医药卫生、化工工业、生物遗传工程、大学教育、国家攻府机关以 及金融财经等。在全球, MATLAB的正式用户已经达到六十余万,遄布世界上100多个国 家和地区。而自从20世纪90年代 MATLAB进入中国起, MATLAB软件在国为已经拥有 了众多用户。目前在国内很多高校已经在本科教学阶段将 MATLAB作为-门必(选)修课程, 并把它作为应用数学、控制、信号处理、通信等专业博士硏究生、硕士研究生、本科生必 须掌握的工具软件之一。 基于嫫型的系统级设计是 Math Works公司近年来大力倡导的一种系统设计方法,它定 义了从系统设计、仿真到具体实现的一系列工具以及应用方法。基于模型的系统级设计的 核心工具是 MATLAB软件族当中以 Simulink为基础的模块集合和相应的工具。而 Stateflow 是 MATLAB产品体系中非常重要的一个分支,它是在基于框图的动夵系统建模仿真环境 Simulink的基础上完成动态逻辑系统建模与仿真的可视化开发平台。 Stateflow能够对 那些基于有限状态机理论的事件驱动系统进行建模和仿真,也能够针对复杂逻系统进行 建模和仿真。结合 Simulink的动态系统建模和仿真能力, MATLAB产品为广大用户提供了 多领域系统建模和仿真的统一开发环境。目前, Stateflow产品主要被用来完成下列系统中 动态逻辑部分的建模和仿真工作 ■嵌入式系统应用: 航空电子设备; 车辆没备,例如中控门锁逻辑、电动车窗逻辑等; 电信设备,例如路由算法 通信系统,例如计算机外设; 可编程逻辑控制器(PLCs); 工业械设备。 人机交互界面MMI:图形化用户界面GUI的控制逻辑 复东系统:例如航空空管通信系统,其屮包含了DSP、控制系统以及人机界面的开 发等。 本书详细介绍了使用 Stateflow进行动态逻辑系统建模和仿真的方法。本书的内容组织 如下: 第1章对 MATLAB产品体系以及 Simulink的应用进行筒要的回顾,是学习 Stateflow 动态逻辑系统建模和仿真的基础。 第2章介绍 Stateflow图形对象的刨建方法,详细介绍状态、状态转移、连接节点等常 用图形对家的使用方法。 第3章介绍 Stateflow非图形对象——数据对象、事件等的使用方法以及如何完成简单 事件驱动系统的建模和仿真 第4章介绍 Stateflow刨建流程图的方法 第5章介绍 Stateflow层次化有限状态系统的建模与仿真方法。 第6章介绍 Stateflow层次化框图的并行运行机制。 第7章介绍 Stateflow的各科代码生成目标及 Stateflow Coder产品的使用方法 第8章介绍 Stateflow的真值表和 Embedded matlab function的应用方法。 第9章介绍利用 Stateflow API在 MATLAB命令行中实现 Stateflow框图模型的创建 方法。 本书的附录中还详细总结了 Stateflow的语法等内容,供大家在使用相应工具时参考 本书的前六章内容是掌握 Stateflow产品的必修内容,其中第1~3章是第4~6章的基 础,而掌握了第4~6章的内容就基本掌握了各种动态逻輯系统的建模和仿真方法。从第7 章开始的后三章内容涉及 Stateflow的高级话题。建议初学者从第I章开始循序渐进地学习 到第6章,这样就能够基本掌握 Stateflow产品的应用方法。而后三章的內容可以快速地浏 览一下,等需要时再仔细学习。另外,要掌握 Stateflow并且能灵活地应用,还需要用户对 Simulink产品的应用有足够的了解,因此,对于没有 Simulink应用基础的读者,作者建议 先学习掌量 Simulink产品的应用方法。如果读者已经有 Simulink甚至 Stateflow的应用基础, 则可以直接从本书的第4章开始学习。 本书是在作者收集了国内外大量的最新权威资料,总结了自身丰富的动态系统建模与 仿真的开发经验和 MATLAB产品技术支持、培训教学以及应用经验的基础上编写而成的, 内容详实、全面、权威,示例丰富,便于读者学习具体工具的使用方法。 本书既可作为需要完成动态逻辑系统建模和仿真均二程人员的参考书,也可作为在校 本科生、硕士研究生和博士研究生的教材,还可作为 MATLAB相应产品培训课程的教材。 本书的编写前前后后历经了三年的时间,期间 MATLAB软件几次升级, Stateflow模块 的特性也多次发生变化,而作者人也绎历了不少事情以及意外。在本书的编写过程中, 得到了西安电子科技大学出版社毛红兵编辑的大力支持,在这里对她表示衷心的感谢。还 要感谢北京九州恒润科技有限公司以及北京赛四达科技有限公司的全体员工,特别是这两 家公司的工程技术人员。和他们在一超共同学习、钻研 MATLAB软件以及研究实时仿真、 系统仿真应用的日子让我终生难忘。更要感谢父母、兄长以及我的妻子佘志鸿,我花费了 太多的间在计算机前而没能很好地尽到自己应尽的义务和责任,如果没有父母、兄长多 年来对我的培养和教育,没有家人对我的关心、支持和鼓励,也就没有了今天这本书的 出版。 Stateflow涉及的内容比较丰富,在这样一本300多页的书籍中不可能将每个技术细节 都介绍到。不过,希望此书能够发挥引路者的作用,带领大家进入 Stateflow逻辑系统建模 的大门。需要提醒读者的是,学习 Stateflow的基础是 Simulink,如果读者对 Simulink不甚 了解,可以阅凄作者编写的《 Simulink动态系统建模与仿真基础》一书。 由于时间仓促,书中难免存在一些不妥之处,试望广大读者谅解,并且提出宝贵的意 见和建议,以便我们在再版时改进。 本书没有为读者提供任何示例源文件,希望读者在使用本书学可 Stateflow的过程中能 够边学习边动手,在实践的过程中掌握 Stateflow产品的应用方法。如果对本书的内容有任 何疑问或老想法,可以通过E-mail与作者直接联系:way.buaa@gmail.com,或者登录作者 的博客 matlabworld. tianyablog com。 作者 2007年8月 第1章概述 第1章概述 MATLAB产品是用来解决工程与科学实际间题的应用软件,该产品包含了 很多产品模块和工具箱。本书介绍的 Stateflow是其产品体系中非常重要的产品 之一。不过,在正式介绍 Stateflow产品之前,作为本书的基础,首先简要回顾 下 MATLAB产品的概况以及 Simulink产品的使用方法。如果读者对 MATLAB 产品体系和 Simulink模块的使用方法比较熟悉,则可以快速浏览章的内容, 甚至可以跳过本章,学习后面的内容。 本章的主要内容包括 ■ MATLAB产品简介。 ■ Simulink回顾 ■ Stateflow概述。 ■安装配置 Stateflow。 1.1 MATLAB产品简介 MATLAB的名称源自 Matrix Laboratory,它的首创者是在数值线性代数领域颇有影响 的 Cleve moler博士,他也是生产经营 MATLAB产品的美国 Math Works公可的创始人之 MATLAB是一种科学计算软件,专门以矩阵的形式处理数据。 MATLAB将高性能的数值计 算和强大的数据可视化功能集成在一起,提供了大量的内置函数,因而被广泛地应用于科 学计算、控制系统、信息处理等领域的分析、仿真和设汁工作中;而且利用 MATLAB产品 的开放式结构,可以非常容易地对 MATLAB的功能进行扩充,从而在不断深化对问题的认 识的同时,不断完善 MATLAB产品以提高产品自身的竞争能力。 目前, MATLAB产品族可以完成以下功能 数值分析。 数值和符号计算。 ■工程与科学绘图。 ■控制系统的设计与仿真。 ■数字图像处理。 ■数字信号处理。 ■通信系统设计与仿真。 ■财务与金融工程。 编写本书时,作者使用的 MATLAB版本为 MATLAB73, Math Works公司将其称为 MATLAB Release2006b。 Stateflow逻辑系统建模 提示: 对于 MATLAB的版本,国内习惯以 MATLAB产品体系中核心模块 MATLAB模块的 版本号作为整个产品体系的版本号。例如有的读者可能使用的 MATLAB核心模块版本是 MATLAB72,而 Math works公司对 MATLAB产品使用的是以产品发布次数计数的版本号, 对应 MATLAB72的是 MATLAB Release006a,是 MATLAB产品体系第15次正式发布版。 每个 MATLAB核心模块都对应一个完整的版本号,这里将常见的 MATLAB版本对照总结如下: MATLAB 5.3 MATLAB Release 11 MATLAB 6.0 MATLAB Release 12 MATLaB 6.1 MATLAB Release 12.1 MATLAB 6.5 MATLAB Release 13 MATLAB 6.5.1 MATLAB Release 13 Service Pack 1 MATLAB 6. 5.2 MATLAB Release 13 service pack 2 MATLAB 7.0 MATLAB Release 14 MATLAB 7.0.1 MATLAB Release 14 Service Pack 1 MATLAB 7.0.4 MATLAB Release 14 Service Pack 2 MATLAB 1 MATLAB Release 14 Service Pack 3 MATLAB 7.2 MATLAB Release 2006a MATLAB 7.3 MATLAB Release 2006b MATLAB 7.5 MATLAB Release 2007a 根据 Math Works公司2006年初发表的声明,从2006年开始 MATLAB每年将进行两次 立品发布,以发布的年份作为版本号,3月份发布的版本为a版本,9月份发布的版本为b 版本,因此2006年3月份该公司发布了 MATLAB Release2006a,而2006年9月份该公司 发布了 MATLAB Release2006b 请演者核对自己所使用的 MATLAB产品版本,不同版本的 MATLAB产品有诸多特性 上的差别。如果需要了解特性上的差别,请读者自行查看相应版本的 Release notes信息。 MATLAB产品由若干个模块组成,不同的模块可完成不同的功能。这些模块有: E MATLAB MATLAB Toolboxes MATT AB CompileT Simulink Simulink blocksets Real-Time Workshop(RTw) Stateflow 这些产品大体上可以分为以 MATLAB为基础的产品和以 Simulink为基础的产品两大分 支,由这些模块构成的 MATLAB产品体系如图1-1所示。 其中, MATLAB模块是 MATLAB产品家族的基础,它提供了基本的数学算法,例如 矩阵运算、数值分析算法等。 MATLAB集成了ΣD和3D图形功能,可以完成相应数值可视 化的工作,并且提供了一种交互式的高级编程语言M语言。用户利用M语言可以通过 编写脚本或者函数文件来实现自己的算法。 第1章概述 MATLAB 独立可执行 桌面应用 Simulink 应用程序 程序开发工具 Stateflow 飞 工具箱(Too| boxes) Blocksets 数据源 数据获取工具 代码生成 C/C+t 学左版产品 MathWorks 第三方产品 图1-1 MATLAB产品体系 MATLAB的桌面应用程序开发工具是以 MATLAB Compiler为核心的一组编译工具 MATLAB Compiler能够将那些利用 MATLAB提供的编程语言—M语言编写的函数文件 编译生成函数库或者可执行文件。这样就可以扩展 MATLAB功能,使 MATLAB能够同其 他高级编程语言(例如CC+话言)进行混合应用,取长补短,以提高程序的运行效率,丰富 程序开发的手段。从 MATLAB Release14开始, MATLAB Compiler4能够支持所有M语 言特性,可以将大多数工具箱函数都编译生成为独立可执行应用程序,这极大地提高了 MATLAB的应用范围。 另外, MATLAB除了能够和CC++语言集成开发以外,还提供了和Java语言接口的能 力,并且还支持COM标准,能够和任何支持COM标准的软件协同工作。特别是从 Release 13开始,包含了 MATLAB Compiler的扩展产品— MATLAB Builder能够将 MATLAB的 函数文件打包成COM组件或者NET组件、 Excel插件,甚至可以打包成Java对象,这样 就能够将 MATLAB应用程序算法集成到相应的开发工具或者应用软件中。 Math orks公司及其他厂商利用M语言还开发了相应的 MATLAB专业工具箱函数供 用户直接使用。这些工具箱应用的算法是开放的、可扩展的,用户不仅可以查看其中的算 法,还可以针对一些算法进行修改,甚至开发自己的算法来扩充工具箱的功能。目前, MA'LAB产品的工具箱有四十多种,分别涵盖了数据采集、科学计算、控制系统设计与分 析、数字信号处理、数字图像处理、金融财务分析以及生物遗传工程等专业领域。 MATLAB的数据采集工具可以将各种数据源提供的信号直接读入 MATLAB环境,无 论工程师使用的是PC插卡式的数据采集卡或图像釆集卡,还是基于总线协议的高端仪器仪 表设备以及各种关系型数据库, MATLAB都提供了与其进行数据IO的交互工具、函数等。 利用 MATLAB开放的集成环境还能够引入更加丰富的数据IO能力。 MATLAB的主要工县箱和产品模块包括: ■数学与数据分析 · Optimization e Statistics Stateflow逻辑系统建模 e Nerual Network Symbolic math Partial Differential Equation Mapping oline C Fitt e Bioinforamtics Genetic Algorithm and Direct Search ■数据采集与测量测试: Data Acquisition Imag ge Acquisition ● Instrument control Database e OPC Toolbox ● Excel Link 信号处理与图像处理 Signal processing · Image processing e Communication System Identification Wavelet e Filter design Filter Design HDL Coder e MATLAB Link for Code Composer Studio ■控制系统设计与分析: Control system Fu Robust control e Model predictive contro ■财经与金融: ● Financial Financial Time Series GARCH Datafeed Financial derivatives e Fixed income ■应用程序集成与发布: MATLAB Compiler

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